彎曲河道上底流消能工布置試驗研究

奉紫岑，楊 慶，程文磊， 張其敏，涂書豪

(1.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；2.四川大學水利水電學院，成都 610065;3.重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 400020)

0 引 言

底流消能作為一種基本的消能形式常在一般的水閘、中小型溢流堰或地質(zhì)條件較差的各類泄水建筑物中采用，其具有霧化影響小等優(yōu)點[1]。底流消能利用水躍來進行能量消殺，消力墩、懸柵[2,3]等輔助消能工也常在底流消能中被應用，張功育、王海軍等[4]研究了跌坎式底流消能的消能機理，驗證其能有效消能。常規(guī)消力池一般建議宜采用等寬矩形斷面[5]，但受到地形條件限制，有些水利工程的消力池必須設置在彎段河道。針對彎道急流的研究主要集中在岸邊溢洪道的陡槽段，常用的措施有:渠底超高法、導流隔墻法、斜坎法、多級跌水消能法等[6-9]，但關(guān)于底流消能工布置涉及到彎曲河道的研究不多。針對受實際條件限制必須在彎曲河道上布置底流消能工的技術(shù)難題，通過某水庫工程的物理模型試驗進行對比研究。

1 工程概況與模型制作

1.1 工程概況

某水庫大壩為堆石混凝土重力壩，壩頂高程550.50 m，最大壩高42.0 m，正常蓄水位為548.00 m。泄水建筑物為溢流堰，孔口尺寸為3-7.0 m×6.0 m(n-b×h)，溢流堰采用WES實用堰，堰頂高程542.00 m。泄水建筑物采用底流消力池消能。設計洪水位548.04 m，相應下泄流量639 m3/s；消能防沖洪水重現(xiàn)期為30年，相應下泄流量576 m3/s。試驗初始方案定為傳統(tǒng)的直線形消力池底流消能，池長50.25 m，池凈寬26.0 m，消力池進口與溢流壩坡采用反弧段曲線相接，池末端設5.5 m高消力坎，出口與下游彎曲河道轉(zhuǎn)彎段銜接。該方案樞紐布置平面和剖面圖見圖1。

圖1 樞紐平面及剖面布置(單位：m)Fig.1 Flat layout and section of the project

1.2 試驗模型及工況

按重力相似準則設計為比尺1∶50的正態(tài)模型。流量采用等寬三角形薄壁堰量測，堰上水頭采用水位測針測量，流速測量采用南京水利科學研究院研制的旋槳式流速儀。

試驗擬定重點研究工況為消能防沖頻率洪水(P=3.3%)即上游水位548.0 m、出庫流量576 m3/s，重點研究消力池內(nèi)水流流態(tài)、流速、水面線等各項水力學指標，來衡量各消能工布置形式的消能與水流流態(tài)控制優(yōu)良程度，進行分析比選。

2 消能工布置試驗方案

消力池規(guī)模受入池水流流速、單寬流量等因素影響，理論計算方法可以得出較為準確的規(guī)模需求。由溢洪道泄流單寬流量q=22.2 m2/s, 計算得臨界水深hk=3.69 m;由文獻[5], 取消力池進口收縮斷面流速系數(shù)φ=0.9, 計算出該斷面收縮水深h1=0.88 m。由在護坦末端修建消能坎所形成傳統(tǒng)矩形斷面平底消力池的這一類型消力池計算公式[5],計算得下游消力池躍后水深h2=10.26 m、消力池池長Lk=50.77 m、坎高c= 6.3 m。

上述計算結(jié)果反映出初始設計方案即方案1中消力池可能長度略有不足，尾坎高度不夠。但消力池的理論計算不能很好的幫助我們判斷消力池與下游河道之間的銜接流態(tài)且涉及到曲線型消力池，問題較為復雜，理論計算與模型試驗相結(jié)合十分重要。故基于初始設計方案即方案1，重點針對消力池消能、水流流態(tài)控制、左岸彎道處水流銜接流態(tài)、沖刷強度等方面對3種布置方案進行試驗研究，具體內(nèi)容如表1所示，平面布置圖如圖2所示。

表1 底流消能工布置方案Tab.1 Layout of the underflow energy dissipator

圖2 底流消能工平面布置方案(尺寸單位：mm，其他單位：m)Fig.2 Flat layout of the underflow energy dissipator

3 3種不同布置試驗結(jié)果比較

3.1 水流流態(tài)

消力池及后段水流流態(tài)方案1～方案3呈現(xiàn)不同流態(tài)，如圖3所示。

圖3 3種不同方案水流流態(tài)對比Fig.3 Comparison of three different schemes about the flow regime

方案1中水躍的旋滾區(qū)發(fā)展至消力池尾坎，而方案2、3水流在到達尾坎前已完成水躍，還有相當部分調(diào)整段長度；三個方案中尾坎與下游河道水流銜接均呈跌流流態(tài)，但方案1中跌落水流直接對沖左岸彎道坡腳部位，局部水流壅高、橫軸旋滾強烈，波動幅度較大，影響范圍較廣，消力池出口直接與轉(zhuǎn)彎河段銜接導致的不良流態(tài)十分明顯；方案2中靠近右岸彎道處，出現(xiàn)了大范圍順時針回流區(qū)，約650 m2，回流會將消力池內(nèi)主流推擠向左岸，降低了消力池內(nèi)的有效消能水體；方案3中加入了導流消力墩，此處水流銜接順暢，且較之方案1、2中消除了出現(xiàn)水流直接對沖彎道岸坡現(xiàn)象，右岸彎道回流區(qū)域減少至300 m2左右，較方案2減少53.85%。

3.2 彎道段岸邊水面線

水面線波動大小與左右岸的水位差，能代表轉(zhuǎn)彎段處的水流銜接流態(tài)優(yōu)劣，變化越小說明銜接越平順。本工程中消力池直線段出口處的主河床向右岸約偏轉(zhuǎn)68°，左岸水面線波動較大。彎道段測量斷面布置如圖4所示。設計控制流量下，3種布置方案下轉(zhuǎn)彎段左岸水面線波動情況見圖5。

圖4 彎道段測量斷面Fig.4 The measured-profiles on the curved section

圖5 轉(zhuǎn)彎段左岸水面線波動幅度圖Fig.5 Water surface fluctuation of the left curved section

方案1中，水面波動較大，高達3.0 m，跌落水流直接沖刷岸腳，對彎道部位岸坡穩(wěn)定性影響較大；方案2、3下水面波動幅度均較方案1減小，河道水面銜接相對平穩(wěn)，但其中方案3效果明顯更優(yōu)，水面波動控制在2.0 m以下，且左右岸水位差更小(圖6)，即左右岸水深分布也更均勻，基本消除對彎道凹岸岸坡的影響。

圖6 轉(zhuǎn)彎段左右岸水位差值圖Fig.6 Water level difference between left and right bank in turning section

3.3 流速分布

流速分布是消能工中水流能量與水流流態(tài)很重要的表現(xiàn)，試驗測量了設計控制工況下，3種不同布置方案各斷面相應的底、中、表流速。彎道靠近左岸的流速更大，主要原因是約68°的彎道轉(zhuǎn)角帶來的離心力作用。入彎前樁溢0+065.92、彎道段內(nèi)樁溢0+088.15、出彎后樁溢0+103.54三個斷面的平均流速分布圖，如圖7～圖9所示。

圖7 入彎前樁溢0+065.92處流速分布Fig.7 Velocity distributions at 0+065.92 before curved

圖8 彎道段內(nèi)樁溢0+088.15處流速分布Fig.8 Velocity distributions at 0+088.15 at curved

圖9 出彎后樁溢0+103.54處流速分布Fig.9 Velocity distributions at 0+103.54 after curved

方案1因尾坎位置的設置，所選入彎前斷面流速遠小于方案2、3，但出池水流呈跌流流態(tài)與河道彎道段銜接處流速基本分布7 m/s以上，高于方案2、3較多，水流余能對岸坡沖刷導致的岸坡安全穩(wěn)定風險較方案2、3更大，且明顯看出出池水流進入下游河道流速沿程衰減慢，對下游防護要求也較高。方案2在一定程度上減輕了方案1中彎道處的不利流速分布，但存在右岸回流區(qū)，回流區(qū)域流速分布較亂，且將消力池內(nèi)主流進一步推擠向左岸，主流陣發(fā)性的沖擊左岸彎道，左岸流速進一步增大。對比來看，方案3更優(yōu)，導流消力墩起到一定雍水作用和調(diào)整水流的作用，較之未布置輔助消能工的方案2而言，入彎前流速和彎道內(nèi)流速更小也更均勻。

3.4 消能率

擬定消能率計算公式為：

其中：

式中：E0為以消力池底板為基準面的上游水流總能量；E1為消力池尾坎處斷面的水流能量；ΔZ為相對于下游基準斷面水頭；v0、v1分別為進、出口斷面的斷面平均流速，進口斷面取上游庫區(qū)，v0=0，v1為消力池尾坎斷面平均流速；h1為出口斷面位能，即消力池出口斷面水深。

基于流速與水面線觀測成果，計算得到消能防沖頻率工況下方案1的消能率為68.8%，方案2為69.7%，方案3為72.0%?？梢钥吹椒桨?的消能率是其中最大的，但3個方案消能率的差距并不大。分析認為，本工程能量耗散主要包括溢流曲線段的沿程水頭損失與消力池內(nèi)水體紊動耗散，直線段消力前池已完成大部分能量消殺。增大消力池規(guī)模和加設導流消力墩雖然未能明顯增加消力池的消能率，但對調(diào)整消力池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)和水躍發(fā)展卻作用較大，使水流在各部位的銜接更加平順，且可以避免左岸彎道不被對沖，提高了運行安全度。

4 結(jié) 語

文中提出的主、輔兩級消力池與導流消力墩這一消導結(jié)合的消能工結(jié)構(gòu)，可以明顯調(diào)整消力池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)，改善彎道段流態(tài)、左右岸水位差、流速分布等水流條件，減小岸坡坡腳沖刷風險，解決了本工程中受實際條件限制必須在彎曲河道上布置底流消能工的技術(shù)難題。該消能工布置結(jié)構(gòu)可為類似工程提供參考和借鑒，但在彎曲河道上布置底流消能工有一前提條件是，在消力池前段必須保證一定的順直段來消殺大量能量。